Воздействие неметаллических включений на свойства стали
Лекция № 2. Металлургическое качество стали
Качество специальных сталей определяется технологией производства, содержанием примесей и неметаллических включений, макроструктурой и т.д.
Металловедческие факторы металлургического качества стали
Неметаллические включения
Неметаллические включения – химические соединения, образовавшиеся в стали в процессе ее производства – выплавки разливки. Неметаллические включения являются важнейшим фактором, характеризующим «металлургическое качество» стали. Они существенно влияют на качество и свойства стальных изделий, их эксплуатационные характеристики в зависимости от природы, количества, формы, размера и характера распределения.
Неметаллические включения по природе происхождения делятся на:
1.Эндогенные неметаллические включения –соединения, образовавшиеся в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости примесей в процессе кристаллизации слитка.
2. Экзогенные неметаллические включения – частицы различных соединений, попавшие в жидкую сталь или в слиток извне, т.е. из шихтовых материалов, огнеупорной футеровки сталеплавильных агрегатов и устройств и т.д.
Неметаллические включения могут взаимодействовать между собой, образуя комплексные соединения.
Количество включений и особенно их размер в различных сталях и отдельных плавках могут сильно колебаться: объемная доля их обычно находится в пределах 0,01 – 0,1 % , а размер от 10 -3 до 10 мм и более. Однако основная масса неметаллических включений в стали имеет размер более 10-3 мм. Экзогенные включения почти всегда значительно крупнее эндогенных и их размер практически неограничен.
|
|
|
Размеры неметаллических включений и их количество в стали должны соответствовать ГОСТ 1178-75 «Металлографические методы определения неметаллических включений». Загрязненность стали неметаллическими включениями определяют путем сравнения с эталонными шкалами или подсчетом числа и объемной доли включений в деформированном и литом металле.
Фазовый состав неметаллических включений определяют металлографическим и рентгеноструктурным методами. Химический состав - химическим анализом выделенного осадка и локальным рентгеноспектральным методом.
Классификация неметаллических включений по химическому составу условна, так как во многих случаях включения являются комплексными и состоят из нескольких типов химических соединений. В соответствии с ГОСТ1778-75 неметаллические включения подразделяют на:
|
|
|
- кислородные: оксиды, силикаты;
- сульфиды;
- нитриды.
1. Кислородные включения. Наиболее многочисленная группа неметаллических включений. Большинство этих включений являются продуктами раскисления стали – эндогенные неметаллические включения. Но могут быть и экзогенными – частицы огнеупоров.
Существует четыре вида кислородных неметаллических включений:
- простые оксиды: Al2O3 – оксид алюминия (корунд, глинозем); SiO2 – диоксид кремния (кварц, кремнезем); FeO – оксид железа; TiO2 - диоксид титана.
- сложные оксиды (шпинели):FeO*MnO – оксид железа и марганца;
FeO*Cr2O3 – хромиты; FeO*V2O5 – ванадиты; FeO*Ti2O5 – ильменит и т.д.
- силикаты и алюмосиликаты (кристаллические):2FeO*SiO2 - силикат железа (файялит); 2MnO*SiO2–силикат марганца; 3Al2O3*2SiO2 – алюмосиликат муллит.
- стекла. Не имеют кристаллического строения. Обычно в их составе содержится кремнезем. Наиболее часто встречаются кварцевое стекло, силикатные стекла с примесью окислов алюминия, марганца, хрома и др.
2. Сульфидные включения. Образуются при затвердевании стали вследствие того, что растворимость серы в жидкой фазе значительно выше, чем в твердом растворе.
В сталях в основном образуются сульфиды железа и марганцаFeS и MnS. Сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1188оС, однако в стали он образует легкоплавкую эвтектику (988 оС). Сульфид марганца MnS имеет температуру плавления 1620 оС, т.е. выше температуры плавления стали.
|
|
|
Легирующие элементы также могут образовывать сульфиды в стали. Никель и кобальт образуют легкоплавкие, нестойкие сульфиды, а сульфиды хрома, циркония, титана, ниобия, ванадия более тугоплавки.
Кристаллизация сульфидов в стали часто происходит на подложках окислов, при этом комплексные включения называются оксисульфидами(например, FeO*MnS;Feo*SiO2*MnS).
3. Нитриды. Можно отнести к неметаллическим включениям лишь условно. Они относятся к ним только в том случае, когда они являются продуктом соединения остаточного азота в стали (менее 0,008%) с нитридообразующими элементами (Ti, Al), попавшими в сталь случайно в небольших количествах (до 0,02 – 0,03%), либо введенных с раскислителями.Нитриды нельзя считать неметаллическими включениями в тех случаях, когда нитридообразующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Al и др.) вводят в сталь как легирующие добавки, либо совместно с ними вводится в сталь повышенное, в сравнении с остаточным содержание азота (более 0,01%), а образующиеся при этом нитриды и карбонитриды придают стали специальные свойства.Такие нитриды следует рассматривать как промежуточные соединения, являющиеся фазовыми составляющими в стали, взаимодействующими с твердым раствором (a - и g - железа) при термической обработке.
|
|
|
Воздействие неметаллических включений на свойства стали
Различные виды разрушения обусловлены наличием включений различного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения опасны лишь как первичный очаг, когда их размер:
d>dкр= p/2(КIс/sт)2
где:
КIс – трещиностойкость – критерий хрупкого разрушения;
sт – условный предел текучести стали.
Хрупкое разрушение могут вызвать лишь крупные экзогенные включения.
В отличие от хрупкого, вязкое разрушение практически всегда контролируется неметаллическими включениями. На дне ямок, характеризующих вязкий излом стали, практически всегда имеются неметаллические включения (ими могут быть также карбиды, нитриды), размер которых не превышает 0,05 – 0,5 мкм. Эти включения определяют работу распространения вязкого излома, тогда как более крупные включения (несколько мкм) обусловливают стадию зарождения вязкого излома. Неравномерность распределения неметаллических включений уменьшает энергоемкость вязкого разрушения, т.е. размер ямок увеличивается.
Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических свойств деформированной стали, особенно показатели пластичности - относительное удлинение и сужение. Эти свойства в направлении поперек прокатки могут быть в 1,5 – 3 раза ниже, чем в направлении вдоль прокатки.
Неметаллические включения могут обусловливать появление шиферного (древовидного) излома.
Особенно опасны неметаллические включения при испытании механических свойств по толщине листа – снижается не только пластичность стали, но и ее прочность.
Неметаллические включения, выходящие на поверхность изделия или залегающие вблизи нее, могут стать очагом усталостной трещины. Поэтому решающее влияние неметаллические включения оказывают на «контактную усталость», а именно выкрашивание трущихся поверхностей (шарикоподшипники, головки рельсов, цементованные зубья шестерен и др.).в то же время равноосные неметаллические включения, находящиеся в глубине изделия, не оказывают влияния на усталость стали, так как усталостная трещина, зародившаяся на крупном дефекте, двигается в глубь металла широким фронтом.
Концентрация напряжений при упругой деформации зависит от упругих свойств самих неметаллических включений. Чем больше их модуль упругости, тем выше напряжения около них. Поэтому наибольшие напряжения создаются около прочных недеформируемых включений. Острые ребра жестких включений также будут усиливать концентрацию около них остаточных напряжений.
Пластичные силикаты и сульфиды в горячекатаной стали усиливают ферритнуюполосчатость.
Некоторые неметаллические включения могут существенно влиять на рост зерна аустенита, устойчивость переохлажденного аустенита при ga - превращении.
В целях уменьшения загрязненности стали неметаллическими включениями, регулирования их состава, размера и характера распределения в настоящее время применяются: рафинирующие переплавы электрошлаковый, вакуумно - дуговой), вакуумная индукционная выплавка, внепечная обработка стали синтетическими шлаками, вакуумирование в ковше и др.
Примеси в стали
Классификация примесей:
- постоянные (обыкновенные);
- случайные;
- скрытые (вредные).
Постоянные примеси: Mn, Si. Имеются практически во всех промышленных марках стали. Содержание марганца в конструкционных сталях обычно находится в пределах 0,3 – 0,8 % (если марганец не является легирующим элементом), в инструментальных сталях его содержание – 0,15 – 0,40%. Введение марганца как технологической добавки в таких количествах необходимо для перевода серы из сульфида железа в сульфид марганца.
Случайными примесями в стали могут быть практически любые элементы, случайно попавшие в сталь из скрапа, природно – легированной руды или раскислителей. Пример примесей: Сr, Ni, Cu, Mo, W, Al, Ti и др в количествах, ограниченных для примесей.
Скрытыми примесями в стали являются сера, фосфор, мышьяк и газы водород, азот и кислород.Такие вредные примеси, как сера, фосфор и газы присутствуют практически во всех сталях и в зависимости от типа стали оказывают различное влияние на их свойства.
По марочному химическому составу стали можно определить, какие элементы являются легирующими добавками, а какие – примесями.
Сера
При комнатной температуре растворимость серы в a - железе практически отсутствует. Вся сера в стали связана в сульфиды железа, марганца и частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в a - и g - железе, хотя и незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02% в a - железе при 913оС и 0,05% в g - железе при 1365 оС). Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.
Если сера связана в сульфид железа (FeS) при относительно низких температурах горячей деформации стали вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988оС), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации (1188 оС) возможна горячеломкость стали, обусловленная расплавлением находящегося по границам первичных зерен аустенита, сульфида железа. Введение в сталь определенного количества марганца приводит к практически полному связыванию серы в тугоплавкий сульфид марганца (MnS, tпл~ 1620 оС) и исключает образование легкоплавкой сульфидной эвтектики. Это позволяет избежать красноломкости и горячеломкости сталей при их горячей обработке давлением.
Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки. Особенно сильно анизотропия выражена при высоких содержаниях серы.Ударная вязкость на образцах, вырезанных в поперечном направлении прокатки, а именно такие образцы испытываются при контроле механических свойств по ГОСТам, уменьшается с увеличением содержания серы, тогда как в продольном направлении с увеличением серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости.указанное явление
В жаропрочных аустенитных сталях повышение содержания серы заметно уменьшает пределы ползучести и длительной прочности, т.е. сера снижает жаропрочные свойства.
Фосфор
Растворимость Р в a- и g- железе значительно выше, чем содержание Р в стали, как примеси. Поэтому Р в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством изменения свойств феррита и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации.
Действие Р на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладноломкости стали.
Фосфор относится к сильнымупрочнителям. Несмотря на то, что содержание его в стали обычно не превышает 0,030 – 0,040% он увеличивает предел текучести sт феррита на 20 – 30%, также увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызвать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов (~ 20 – 25 оС на 0,01% Р).
В конструкционных улучшаемых сталях Р вызывает проявление обратимой отпускной хрупкости. В этом случае его влияние на порог хладноломкости особенно сильно.
Аналогично Р влияет на порог хладноломкости аустенитных марганцовистых сталей. Влияние Р в допустимых пределах на механические и жаропрочные свойства хромоникелевых аустенитных нержавеющих и жаропрочных сталей заметно не проявляется.
Мышьяк
Его влияние на свойства стали аналогично Р, но само вредное воздействие значительно слабее. В некоторых качественных сталях допускается содержание до 0,08% As.
Газы
В сталях в определенных количествах обычно присутствуют: H, O, N. Процентное содержание их в сталях зависит прежде всего от способа выплавки.
Н может входить в состав твердого раствора и выделяться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены.
О обычно связан в неметаллические включения.
N отрицательно влияет на свойства стали, если он находится в твердом растворе или образует нитриды железа, вызывая старение стали. Положительное влияние азота на свойства стали проявляется при связывании его в прочные нитриды Al, VN, NbNили карбонитридыV(C,N), Nb (C, N) и др., что используется в сталях с карбонитридным упрочнением.
Также азот используется в качестве аустенитообразующего элемента в коррозионностойких и жаропрочных сталях.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 4362; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!